CHƯƠNG 9 VẬT LIỆU COMPOSIT 321 9 1 Khái niệm và phân loại 321 9 2 Cốt 323 9 3 Nền 323 9 4 Các loại vật liệu composit thông dụng 324 CHƯƠNG 9 VẬT LIỆU COMPOSIT 9 1 Khái niệm và phân loại 9 1 1 Khái niệ.
Trang 1CHƯƠNG 9 VẬT LIỆU COMPOSIT
9.1 Khái niệm và phân loại
9.2 Cốt.
9.3 Nền
9.4 Các loại vật liệu composit thông dụng:
CHƯƠNG 9 VẬT LIỆU COMPOSIT
9.1 Khái niệm và phân loại
9.1.1 Khái niệm:
Vật liêu composit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau kết hợp lại, trong đó các ưu điểm của mỗi loại được kết hợp với nhau hoặc tạo nên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng lẻ không một loại vật liệu thành phần nào có thể đáp ứng được
9.1.2 Đặc điểm và phân loại :
* Đặc điểm:
- Là vật liệu nhiều pha: trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha Phổ biến nhất là loại composit hai pha.Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền Pha phân bố gián đoạn được nền bao bọc gọi là cốt
+Trong vật liệu composit tỷ lệ, hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế
+ Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composit
Ta lựa chọn các tính chất tốt để phát huy thêm
* Phân loại:
- Phân loại theo bản chất của nền:
+ Composit nền chất dẻo (composit polymerit)
+ Composit nền kim loại (composit metallit)
+ Composit nền gốm (Composit ceramic )
+ Composit nền là hỗn hợp của hai hay nhiều pha
- Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc:
9.1.3 Tính chất của vật liệu Coposit:
Trang 2Quan hệ giữa lực P và biến dạng ∆l được biểu diễn như sau:
l l
EF
P= ∆
9.1 Trong đó : E – mô đun đàn hồi của vật liệu
F – Tiết diện ngang
L – là chiều dài thanh
∆l – độ giãn dài tuyệt đối
Độ cứng kéo (nén) EF/l đặc trưng cho tính chất cơ học của thanh trong miền đàn hồi Ta xét hai loại vật liệu khác nhau, ký hiệu là 1 và 2, tỷ lệ các độ cứng
sẽ là:
1
2 2 2
1 1 2
l
l F E
F E K
K
=
(9.2)
Tỷ lệ khối lượng của hai thanh được biểu diễn như sau :
2
1 2 2
1 1 2
ρ
ρ
l F
l F m
m
=
(9.3)
Từ biểu thức 9.2 và 9.3 ta suy ra :
2
1 2 2 1 1
2
m
m E
E K
K
ρ
ρ
=
(9.4) Trong các lĩnh vực công nghiệp :hàng không, vũ trụ, thể thao, xây dựng… ta cần so sánh tính năng cơ học của các kết cấu có cùng khối lượng : m1 = m2, ta
có :
2 2 1 1
2
1
ρ
ρ
E
E K
K =
(9.5)
Từ 9.5 ta thấy một vật liệu được coi là tốt hơn khi có giá trị E/ρ được gọ là mô đun riêng của vật liệu Tương tự như vậy nếu gọi σb là ứng suất phá hủy của vật liệu thì đại lượng σb/ ρ được gọi là ứng suất riêng (hay độ bền riêng)
Ta không thể sử dụng trực tiếp các sợi cốt vì đường kính của chúng quá nhỏ (10 ÷20µm) vì vậy cần phải trộn sợi với nhựa polyme (nền) để được vật liệu composit cốt sợi Nền có chức năng liên kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi Vấn
đề quan trọng là phải tìm được các vật liệu vừa có mô đun cao, khối lượng riêng nhỏ và giá thành hợp lý
Trang 39.2 Cốt.
- Trong toàn khối composit thì cốt phân bố không liên tục và rất đa dạng, phụ thuộc vào loại composit cần chế tạo
- Với loại composit kết cấu: Cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt
độ cao, có mô đun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ
Bảng 9.1 Cơ tính riêng của một số vật liệu thông dụng
- Các loại vật liệu cốt: Kim loại ( thép không gỉ, W, B, Mo ), chất vô cơ (cacbon, thủy tinh, gốm)
- Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất composit
9.3 Nền
Nền có vai trò sau đây:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composit thống nhất
- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composit thành các chi tiết thiết kế
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường
Vật liệu nền gồm có : polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp
Trang 49.4 Các loại vật liệu composit thông dụng:
9.4.1 Composit hạt.
Cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền Các phần tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền: o xyt, nitrit, cac bit Đôi khi là các hạt mềm như grafit, mica thuộc loại chống ma sát Có hạt thô và hạt mịn, hạt mịn nằm phân tán có tác dụng cản trượt hóa bền
9.4.1.1 Composit hạt thô:
Copozit hạt thô rất đa dạng và được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng
Đặc điểm của Compozit hạt thô
Hạt thô được dùng để chỉ tương tác giữa nền và cốt không xảy ra ở mức độ nguyên tử, phân tử, sự hóa bền có được là nhờ sự cản trở biến dạng của nền ở vùng lân cận với cốt
Compozit hạt thô thông dụng
Copozit hạt thô nền polyme Hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, ô xyt nhôm được sử dụng phổ biến trong đời sống như làm cửa, tường ngăn, trần nhà
Hình 9.3.Sơ đồ phân bố cốt sợi
a.Một chiều song song b Ngẫu nhiên, rối trong một mặt
c Dệt hai chiều vuông góc trong một mặt d Đan quấn 3 chiều vuông góc
- Composit hạt thô nền kim loại: hạt cốt là các phần tử cứng: WC, TiC, TaC nền là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo, khuôn dập Ngoài ra còn có
Trang 5các hợp kim giả W – Cu, W – Ag, Mo – Cu, Mo – Ag sử dung trong kỹ thuật điện
- Composit hạt thô nền gốm: điển hình là bê tông, cốt là tập hợp các hạt rắn đá sỏi liên kết bởi nền là xi măng
Bê tông (nền là xi măng) dùng để rải đường, làm cầu, cống
9.4.1.2.Composit hạt mịn:
Các phần tử cốt có kích thước rất nhỏ e < 0.1µm cứng và ổn định nhiệt cao ( bền nóng ), phân bố trên nền kim loại hay hợp kim được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt độ cao
a Đặc điểm:
- Nền thường là kim loại và hợp kim, cốt có kích thước e< 0.1µm, các Compozit có độ bền, độ cứng và có tính ổn định nhiệt cao như oxit, các bit, borit, nitrit
- Tương tác nền – Cốt xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kích thước nguyên tử, phân tử
- Cơ chế hóa bền: Cốt nhỏ mịn phân tán kìm hãm lệch, làm tăng độ bền độ cứng của vật liệu
b.Các Compozit hạt mịn.
- Compozit hạt mịn với cốt Al2O3 = 5 ÷ 20% trên nền nhôm, chịu nhiệt khoảng
300 ÷5000C
- Compozit hạt mịn có nền là Niken (Ni), cốt là các phần tử ô xyt tô ri ThO2 ∼ 2% song ở dạng rất nhỏ mịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, làm việc lâu dài
ở nhiệt độ 1000 ÷ 11000C, không bị ăn mòn tinh giới như thép không gỉ nên là vật liệu quý trong hàng không, vũ trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn , bình áp lực làm việc ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của môi trường ăn mòn
9.4.2 Composit sợi:
Compozit cốt sợi là loại compozit kết cấu quan trọng nhất vì nó có độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng cao Nền và cốt sợi đều là các vật liệu nhẹ
Tính chất của compozit cốt sợi phụ thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết trên ranh giới pha, sự phân bố và định hướng sợi
9.4.2.1.Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi
a Sự phân bố và định hướng sợi.
- Sợi phân bố song song với nhau theo một phương (hình 9.3a) sự phân bố này
có độ bền theo phương dọc
- Sợi đan vuông góc với nhau (hình 9.3b) phân bố theo 2 trục sợi độ bền cao hơn cả- kiểu dệt
- Sợi phân bố nhiều phương (rối-hình 9.3c), compozit đẳng hướng theo tất cả các phương trên mặt
- Sợi được phân bố 3 phương vuông góc với nhau như ở hình (9.3d) thì compozit có tính đẳng hướng
b Ảnh hưởng của chiều dài sợi.
Điều quan trọng là kết cấu cốt sợi phải tập trung tải trọng vào sợi là pha
có độ bền cao Có 2 loại cốt sợi: cốt sợi ngắn và cốt sợi dài
Trang 6v ới l oại cốt s ợi ngắ n : lực tác dụng sẽ gây biến dạng của nền nơi liếp xúc giữa sợi và nền, một phần nền bị chảy (hình 9.4)
Cốt sợi dài: Khi LS ≥ LC mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của compozit Chiều dài tới hạn lC này phụ thuộc đường kính d của sợi, giới hạn bền (σb)S của sợi và lực liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền τm) theo biểu thức
L
m
S b
τ
σ
=
Đặt
( )
m
S b S
τ
σ
=
Thì L C =S.d
Người ta quy ước:
- Khi L ≥ 15LC compozit là loại cốt liên tục hay cốt sợi dài
- Khi L < 15Lc compozit là loại cốt sợi ngắn hay không liên tục
- Khi L < Lc sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng nền bao quanh sợi, do đó không đủ truyền tải và được coi như compozit hạt
Trên hình 9.5 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại compozit cốt sợi trong đó loại cốt sợi liên tục thẳng hàng (thường chỉ gọi ngắn gọn là liên tục ) như ở hình a
là loại quan trọng hơn cả sẽ được khảo sát dưới đây
Hình 9.4 Sơ đồ liên kết giữa nền và cốt
Hình 9.5 Sơ đồ phân bố sợi
a Sợi liên tục song song b Sợi gián đoạn thẳng hàng c Sợi hỗn độn
Trang 79.4.2.2 Các Compozit cốt sợi.
Đây là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang nghiên cứu và sử dụng phổ biến Cấu tạo của nó gồm cốt dạng sợi phân bố trong nền theo quy luật
đã thiết kế Gồm các loại sau đây
- Composit sợi thủy tinh nền polymer : hiện tại là loại vật liệu thông dụng nhất, cốt là sợi thủy tinh nền là polyeste đôi khi dùng bakelit Loại này vừa bền, vừa nhẹ, chống ăn mòn tốt, chống va đập tốt,cách điện tốt, công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành hạ
Công dụng là làm mui xe hơi, cửa, thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ buồng lái tàu vũ trụ, chế tạo vỏ xuồng và ca nô tốc độ cao, các tấm áp tường trong máy bay, toa xe, các phòng tắm, phòng vệ sinh, bể bơi, vỏ thân xe hơi, tàu biển ống dẫn, container chứa hàng Đặc biệt trong công nghiệp ô tô, nó có sức cạnh tranh nhờ giảm được khối lượng và tiêu hao nhiên liệu ít nhất khi làm việc
- Composit sợi cac bon hoặc sợi Bo: Cốt là sợi cac bon hay sợi các bon thủy tinh Nền là epoxy phenon, polyeste hay các bon, Polymer, vật liệu compozit này có độ bền cao hơn 4 ÷ 5 lần so với thủy tinh, là vật liệu nhẹ, có độ bền cao, chịu được nhiệt độ, ăn mòn cao, đàn hồi và chống rung tốt, chịu mỏi cao, phù hợp để chế tạo những chi tiết máy cần có cơ tính tổng hợp cao và nhẹ
Công dụng làm thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt của động cơ, đĩa ma sat, cánh quạt máy bay lên thẳng, cánh quạt máy nén khí, dụng cụ thể thao Loại compozit này có sức cạnh tranh trong sản xuất máy bay do giảm nhẹ được khối lượng nên nhiên liệu tiêu hao ít (giảm 20 ÷ 30%) so với dùng kim loại
Chú ý : Dùng sợi Bo đắt hơn sợi Cacbon nên ít dùng hơn
- Composit sợi hữu cơ: Cốt là các sợi polyme nền là polyme công dụng dùng làm vât liệu cách nhiệt, cách điện, các kết cấu ô tô, máy bay
- Compozit nền kim loại cốt sợi: loại phổ biến nhất có triển vọng nhất là nền nhôm sợi Bo có phủ Cacbit Silic vì có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nền Polyme mà trọng lượng riêng nhỏ hơn nên có độ bền riêng tốt